分子模拟研究骨形态发生蛋白在聚乳酸及其共聚物材料表面的吸附行为

摘要

蛋白质在载体材料表面的吸附广泛应用于生物材料、生物医学、生物传感器、仿生材料等领域。聚乳酸具有良好的生物相容性，常被用作医学材料，将其制成支架，可应用于骨损伤修复。骨形态发生蛋白倾向与在该类载体材料表面发生吸附，进而诱导成骨细胞在其表面生长形成新的软骨或骨。深入探讨骨形态发生蛋白在生物相容类载体材料表面的吸附机制及相互作用机理有利于植入材料设计和开发。目前相关研究主要集中在蛋白质在生物植入材料表面吸附量等方面，不能从分子水平揭示蛋白质在聚乳酸及其共聚物材料表面的吸附机制及相互作用机制。近年发展起来的计算机分子模拟方法是理论和实验之间的桥梁，能够从原子尺度上探讨蛋白质分子在载体材料表面的吸附机制，对载体材料与蛋白质分子之间的相互作用关系进行定量的系统的研究。
　　本论文采用分子动力学模拟(MD)和操控式分子动力学模拟(SMD)相结合探讨了骨形态发生蛋白(BMP-7、BMP-2)在聚乳酸及其共聚物材料表面的吸附和脱附机制。揭示了聚合物的亲疏水性对蛋白质吸附的影响，探讨了不同载体材料表面水分子层结构及该水分子层对蛋白质吸附-脱附的影响。同时比较了不同骨形态发生蛋白与聚乳酸作用机理差异。论文的主要研究结果如下:
　　(1)骨形态发生蛋白BMP-7的x-90、x-270、y-90取向在聚乳酸材料表面发生较强吸附，其中y-90取向与聚乳酸(PLA)载体材料的相互作用最强。蛋白质与基底之间的范德华作用是促使蛋白质在载体材料表面吸附的驱动力。聚合物表面水分子对蛋白质的吸附起阻碍作用。蛋白质的吸附残基脱附顺序与残基与基底之间的作用能相关，作用越小越先脱附;同时吸附残基之间的相互作用也影响残基的脱附顺序。
　　(2)蛋白质BMP-7在不同聚乳酸共聚物材料表面的相互作用不同，其作用能大小顺序为PLA-co-PCL＞PLA-co-PVA＞PLA-co-PEG;蛋白质仅倾向吸附在PLA-co-PCL材料表面。随着聚合物亲水性增加，BMP-7在载体材料上的吸附减弱。改性聚合物中不同的氧原子影响聚合物表面的水分子层结构，随着聚合物亲水性增加，表面水分子层结构有序性增加;表面水分子层增厚，对蛋白质的吸附起到阻碍越强。
　　(3) BMP-2与BMP-7结构相似，但它们在聚乳酸材料表面优势吸附取向存在较大的差异，BMP-2优势取向仅为x-180取向，BMP-7则是y-90取向，BMP-2在聚乳酸材料表面吸附具有特异性。造成两者吸附差异的原因为两者不同部位含有的极性、带电性残基的数目不同。模拟过程BMP-2的构象变化大于BMP-7。造成BMP-2构象变化为其C段处的二维结构，而对于BMP-7构象的变化则由loop部分所致。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 研究背景和文献综述

1．1 研究背景

1．2 生物相容性材料

1．2．1 无机生物相容性材料

1．2．2 聚乳酸类生物相容性材料

1．3 骨形态发生蛋白

1．4 蛋白质在生物相容性材料表面的吸附

1．4．1 材料组成对蛋白质吸附量的影响

1．4．2 三维结构对蛋白质吸附量的影响

1．5 动力学模拟研究蛋白质在生物材料表面的吸附

1．5．1 蛋白质与材料之间的相互作用对蛋白质吸附的影响

1．5．2 载体材料表面水分子层

1．5．3 表面水分子的静态性质

1．5．4 材料表面水分子的动态性质

1．5．5 载体材料表面水分子层对蛋白质吸附的影响

1．5．6 分子模拟研究蛋白质构象变化

1．6 课题提出和本论文工作

第二章 BMP-7在聚乳酸材料表面的吸附／脱附行为

2．1 模型构建与模拟细节

2．1．1 模型构建

2．1．2 模拟细节

2．2 不同取向BMP-7在聚乳酸材料表面的吸附行为

2．3 不同取向BMP-7在聚乳酸材料表面的吸附机制

2．3．1 吸附位点

2．3．2 吸附驱动力

2．3．3 吸附阻力

2．4 不同取向BMP-7在聚乳酸材料表面的脱附机制

2．4．1 SMD简介

2．4．2 SMD模拟参数选择

2．4．3 脱附机制探讨

2．5 本章小结

第三章 BMP-7在不同聚乳酸共聚物材料表面的吸附／脱附行为

3．1 模型构建及模拟细节

3．1．1 模型构建

3．1．2 力场参数

3．1．3 模拟细节

3．2 BMP-7在不同共聚物材料表面的吸附行为

3．3 BMP-7在不同共聚物材料表面的吸附机制

3．3．1 吸附残基及残基吸附顺序

3．3．2 吸附驱动力

3．3．3 表面水分子层对BMP-7在不同共聚物材料表面吸附的影响

3．3．4 不同共聚物材料表面水分子层差异的原因

3．4 BMP-7在不同共聚物材料表面的脱附机制

3．4．1 BMP-7在不同共聚物材料表面的脱附行为

3．4．2 BMP-7在不同共聚物材料表面分阶段脱附的原因

3．5 小结

第四章 BMP-2在聚乳酸聚合物材料表面的吸附／脱附行为

4．1 模型构建及模拟细节

4．2 BMP-2在聚乳酸材料表面的吸附行为

4．2．2 BMP-2与BMP-7在聚乳酸材料表面吸附差异的原因

4．3 BMP-2在聚乳酸材料表面的吸附机制

4．3．1 吸附残基

4．3．2 吸附动力

4．3．3 吸附阻力

4．4 BMP-2在聚乳酸材料表面的脱附机制

4．5 本章小结

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果